Dziwne wiatry zdradzają magnetyczne egzoplanety po raz pierwszy

Astronomowie po raz pierwszy z dużą pewnością zmierzyli pola magnetyczne planet krążących wokół odległych gwiazd, analizując… prędkości wiatrów w ich atmosferach. Zespół korzystający z teleskopów ESO VLT w Chile i Gemini North na Hawajach zbadał siedem niezwykle gorących jowiszów i odkrył, że im planeta gorętsza, tym wolniej wieją na niej wiatry – wbrew intuicji, ale zgodnie z działaniem silnego pola magnetycznego, które hamuje ruch naładowanego gazu. Wyniki opublikowano w czasopiśmie Nature Astronomy i są jak dotąd najmocniejszym dowodem, że niektóre egzoplanety są magnetyczne w sposób zbliżony do planet Układu Słonecznego.

Ta ilustracja przedstawia aktywność magnetyczną egzoplanety. Planeta jest gazowym olbrzymem, podobnie jak Jowisz, ale znajduje się bardzo blisko swojej gwiazdy macierzystej i jest zablokowana pływowo: jedna strona jest zawsze zwrócona w stronę gwiazdy i jest bardzo gorąca, podczas gdy druga strona jest ekstremalnie zimna. Ta duża różnica temperatur powoduje silne wiatry wiejące z dziennej na nocną stronę. Pole magnetyczne planety, pokazane tutaj niebieskimi liniami, może spowalniać te wiatry. Źródło: ESO/M. Kornmesser, L. Calcada

Jak zmierzyć wiatr na odległych światach

Badane planety to gazowe olbrzymy wielkości Jowisza, krążące bardzo blisko swoich gwiazd i zawsze zwrócone do nich tą samą półkulą – podobnie jak Księżyc względem Ziemi. Oznacza to rozpaloną dzienną stronę i wiecznie nocną stronę, między którymi różnica temperatur jest ogromna, co generuje ekstremalnie silne wiatry przenoszące gaz z dnia na noc. Do pomiaru prędkości tych wiatrów zespół wykorzystał spektrograf ESPRESSO na VLT oraz bliźniacze instrumenty na teleskopie Gemini North, analizując subtelne przesunięcia linii widmowych w świetle dochodzącym z planet. Takie przesunięcia Dopplera zdradzają, jak szybko gaz w atmosferze planety porusza się w kierunku lub od nas – dokładnie tak, jak w przypadku pomiaru prędkości gwiazd czy galaktyk.

Okazało się, że na tych egzoplanetach wieją wiatry o prędkościach od około 7200 km/h aż do ponad 25 000 km/h, czyli wielokrotnie szybciej niż na Jowiszu, gdzie najsilniejsze wiatry osiągają około 1500 km/h. Tak ekstremalne warunki trudno sobie wyobrazić – to raczej globalne, naddźwiękowe strumienie odrzutowe niż znane nam ziemskie huragany.

Gorące jowisze – kosmiczne laboratoria

Tak zwane gorące jowisze są dziś jednymi z najlepiej poznanych klas egzoplanet, właśnie dlatego, że są duże, jasne i krążą blisko gwiazd, co ułatwia obserwacje. Ich atmosfery są jednak skrajnie inne niż w przypadku Jowisza w Układzie Słonecznym – po dziennej stronie temperatury sięgają tysięcy stopni, a wiele pierwiastków występuje tam w postaci zjonizowanego, przewodzącego plazmowego gazu. Taki przewodzący gaz bardzo silnie czuje obecność pola magnetycznego, które może prowadzić prądy, wywoływać opór i modyfikować cyrkulację atmosferyczną.

Dla teoretyków gorące jowisze są więc naturalnym laboratorium do badania sprzężenia między atmosferą, rotacją planety i jej polem magnetycznym – zjawisk istotnych także dla bardziej ziemskich, potencjalnie nadających się do zamieszkania światów.

Pierwsze pomiary pól magnetycznych egzoplanet

Początkowo zespół chciał po prostu sprawdzić, czy wiatry na różnych gorących jowiszach zachowują się podobnie. Ku zaskoczeniu badaczy okazało się jednak, że istnieje wyraźna zależność: im planeta gorętsza, tym wolniejsze są jej wiatry, choć intuicyjnie wyższa temperatura powinna dostarczać więcej energii, a więc przyspieszać cyrkulację. Jedynym spójnym wyjaśnieniem, jakie przetrwało testy modeli, okazał się silny wpływ pól magnetycznych, działających jak hamulec na naładowane cząstki gazu w atmosferze.

Zestawiając mierzone prędkości wiatrów z modelami, badacze byli w stanie oszacować siłę pola magnetycznego każdej z siedmiu planet. Okazało się, że wartości te są zbliżone do znanych z Układu Słonecznego: około cztery razy silniejsze niż pole Saturna lub mniej więcej o połowę słabsze niż pole Jowisza. To pierwsza tak spójna próba zmierzenia magnetyzmu egzoplanet i najmocniejszy dotąd argument, że przynajmniej część z nich generuje własne pola za pomocą dynamo w głębi planety.

Dlaczego pola magnetyczne planet są ważne

Na Ziemi pole magnetyczne działa jak niewidzialna tarcza, kierując strumień naładowanych cząstek od Słońca i promieniowania kosmicznego wokół naszej atmosfery, dzięki czemu ta nie jest stopniowo zdmuchiwana w przestrzeń. Podobną rolę pełnią pola magnetyczne wielu planet Układu Słonecznego, a ich obecność uznaje się za jeden z kluczowych czynników sprzyjających długotrwałej stabilności atmosfer i potencjalnej zdatności do zamieszkania skalistych światów.

Jeśli potrafimy teraz wnioskować o polach magnetycznych na egzoplanetach – choć na razie tylko na gorących olbrzymach – to jest to kolejny krok w stronę pełniejszego profilowania planet: nie tylko ich masy, rozmiaru i składu atmosfery, ale też ochronnej magnetosfery. W przyszłości podobne metody mogą zostać zastosowane do chłodniejszych, mniejszych planet, bliższych Ziemi pod względem warunków fizycznych.

Zorze polarne na egzoplanetach i przyszłe teleskopy

Silne pola magnetyczne mogą robić znacznie więcej niż tylko kształtować wiatr – mogą także napędzać spektakularne zorze polarne. Na Ziemi powstają one, gdy cząstki ze Słońca są kierowane przez pole magnetyczne ku biegunom i zderzają się z gazami atmosferycznymi, wywołując świetlne kurtyny w zieleni, różu czy fiolecie. Badacze spekulują, że na gorących jowiszach zorze mogą być jeszcze jaśniejsze i bardziej dynamiczne, bo strumień cząstek i energia pola magnetycznego są tam znacznie większe niż w ziemskich warunkach.

Zespół z niecierpliwością czeka na uruchomienie Ekstremalnie Wielkiego Teleskopu ESO (ELT), który ma rozpocząć obserwacje pod koniec tej dekady i pozwoli badać nie tylko gorące jowisze, ale również mniejsze, bardziej ziemskie egzoplanety. ELT może umożliwić bezpośrednie poszukiwanie oznak zórz, a nawet subtelnych sygnałów chemicznych w atmosferach odległych światów, co będzie kolejnym krokiem w kierunku zrozumienia, które planety potrafią utrzymać się przy życiu, zachować wodę i być może sprzyjać powstaniu życia.